《光电检测技术概述》课件：原理与应用.ppt

*************************************响应度硅光电二极管(A/W)GaAs光电二极管(A/W)InGaAs光电二极管(A/W)响应度(Responsivity)是光电探测器最基本的性能参数，定义为输出电信号与入射光功率之比，单位通常为A/W（安培/瓦特）或V/W（伏特/瓦特）。它直接反映了探测器将光信号转换为电信号的效率，是评价探测器灵敏度的重要指标。响应度R可表示为：R=I/P（电流响应模式）或R=V/P（电压响应模式），其中I为输出电流，V为输出电压，P为入射光功率。响应度与波长有关，不同材料的探测器在不同波长区域有不同的响应特性。例如，硅探测器在可见光区域响应度高，而锗探测器和InGaAs探测器则在近红外区域表现更佳。影响响应度的主要因素包括：探测器材料的吸收系数、量子效率、内部增益机制、工作波长、偏置条件以及温度等。在实际应用中，常需要在宽光谱范围内测量响应度曲线，以评估探测器在特定波长范围的性能。量子效率基本定义量子效率(QuantumEfficiency,QE)定义为探测器产生的电子-空穴对数量与入射光子数量之比，通常用百分比表示。它是反映光电转换效率的最基本物理量，理论上最大值为100%。量子效率和响应度密切相关，可以通过公式转换：η=R·hν/e=R·hc/(eλ)其中η为量子效率，R为响应度，h为普朗克常数，ν为光频率，e为电子电荷，c为光速，λ为波长。影响因素与提升方法量子效率受多种因素影响，主要包括：表面反射损失材料吸收系数有效吸收厚度载流子复合损失电极遮挡提高量子效率的主要方法有：应用反射防止涂层减少表面反射；优化器件结构增加光吸收；使用背照式结构减少电极遮挡；发展新型高吸收系数材料等。在实际应用中，外量子效率(EQE)和内量子效率(IQE)是两个常用概念。外量子效率考虑了所有光损失因素，直接反映器件实际性能；内量子效率则只考虑被吸收光子产生的载流子贡献，排除了反射和透射损失，更能反映材料本身的光电转换能力。响应时间光信号输入入射光强度发生阶跃变化，从无光状态突变为稳定光照，或光强度按特定波形变化。这一过程通常使用快速调制的光源或激光脉冲实现。载流子产生光子被吸收并产生电子-空穴对，载流子数量随时间增加。这一过程几乎是瞬时的，取决于光电材料对特定波长光的吸收特性。载流子传输产生的载流子在内建电场或外加电场作用下开始迁移，形成电流。这一阶段受到载流子迁移速度和传输距离的限制。信号建立输出信号幅度逐渐增加，直至达到稳定值。输出信号从10%上升到90%所需的时间定义为上升时间(tr)；类似地，从90%下降到10%的时间为下降时间(tf)。响应时间是评价光电探测器时间特性的关键参数，直接决定了探测器能够分辨的最小信号时间间隔和最高调制频率。在高速光通信、激光雷达和快速事件探测等应用中，响应时间尤为重要。通常，响应时间越短，探测器的带宽越宽。影响响应时间的主要因素包括：载流子迁移时间、器件结构（如耗尽区宽度）、电容效应（RC时间常数）、载流子复合和扩散过程等。在实际应用中，需要根据速度需求选择合适的探测器类型，如PIN光电二极管和雪崩光电二极管在高速应用中具有优势。噪声等效功率（NEP）基本定义噪声等效功率(NoiseEquivalentPower,NEP)定义为在单位带宽内，产生与噪声等量信号输出的入射光功率。简言之，就是使信噪比等于1的最小可检测光功率，单位为W/√Hz。数学表达NEP=in/R，其中in为探测器的噪声电流（A/√Hz），R为响应度（A/W）。NEP值越小，探测器的灵敏度越高，能够探测到的最小光信号越弱。噪声来源影响NEP的主要噪声源包括：散粒噪声（光子或电子的量子涨落）、热噪声（约翰逊噪声）、1/f噪声（闪烁噪声）、暗电流噪声和背景辐射噪声等。不同类型的探测器受不同噪声源的影响程度各异。实际应用在实际系统设计中，NEP值是选择探测器的重要依据。对于弱光信号检测，如单光子计数、荧光检测等应用，需选择具有极低NEP值的探测器，如雪崩光电二极管或光电倍增管。NEP值与探测器的物理尺寸有关，为了便于比较不同尺寸探测器的性能，通常使用归一化的探测率D*（D-star）作为补充指标。噪声等效功率的测量通常涉及复杂的低噪声测试电路和精密的光源控制，是评价高灵敏度探测器性能的关键实验。探测率D*10^12硅光电二极管典型D*值(cm·√Hz/W)，波长550nm10^10热释电探测器典型D*值(cm·√Hz/W)，室温10^13InGaAs光电二极管典型D*值(cm·